4. Zeolithe (Technische Tectosilicate)
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1 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Vorlesung Vom Mineral zum Material Angewandte Silicatchemie Caroline Röhr
2 Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
3 Einleitung Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
4 Einleitung Gerüstalumosilicate: Struktur Eigenschaftsbezug, Bsp. Ca[Al 2 Si 2 O 8 ]
5 Einleitung Gerüstalumosilicate: Struktur Eigenschaftsbezug, Bsp. Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] Siedesteine: z.b. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2 Si 2 O 8 ]
6 Einleitung Gerüstalumosilicate: Struktur Eigenschaftsbezug, Bsp. Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] Siedesteine: z.b. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] Siedende Steine: Zeo Lithos (griech.: Zeo = ich siede, Lithos = Stein) z.b. Gismondin Ca[Al 2Si 2O 8] 5H 2O
7 Einleitung Gerüstalumosilicate: Struktur Eigenschaftsbezug, Bsp. Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] Siedesteine: z.b. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] Siedende Steine: Zeo Lithos (griech.: Zeo = ich siede, Lithos = Stein) z.b. Gismondin Ca[Al 2Si 2O 8] 5H 2O
8 Einleitung Natürliche und synthetische Zeolithe Zeolithe: Tectosilicate mit großen Kanälen und Käfigen, die für Gäste (Kationen, Wasser, organische Moleküle) zugänglich sind natürlich: t/a (2016); synthetisch: t/a ca. 230 verschiedene Strukturtypen, davon 40 bei natürlichen Zeolithen Skolezit Chabazit synthetischer Chabazit (elektronenmikroskopische Aufnahme)
9 Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
![Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Strukturprinzipien [SiO 4/2 ]- bzw.](/docs-images/58/41299072/images/10-0.png "[AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units) Si O O Si O O Si O O 2 4+ Si Si O O")
10 Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Strukturprinzipien [SiO 4/2 ]- bzw. [AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units) Si O O Si O O Si O O 2 4+ Si Si O O
11 Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Strukturprinzipien [SiO 4/2 ]- bzw. [AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units) Si O O Si O O Si O O 2 4+ Si Si O O Verknüpfung (über O-Ecken) zu kleineren Baugruppen (Secondary Building Units, SBU) d4r d6r
12 Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Strukturprinzipien [SiO 4/2 ]- bzw. [AlO 4/2 ]-Tetraeder (Primary Building Units) Si O O Si O O Si O O 2 4+ Si Si O O Verknüpfung (über O-Ecken) zu kleineren Baugruppen (Secondary Building Units, SBU) d4r d6r größere Baugruppen: CBU (Combined Building Units) Verknüpfung der SBUs und CBUs zum 3D-Raumnetz Gerüst/Tecto-Silicate Polyanion: [Al nsi mo 2(n+m) ] n (vgl. Ca[Al 2 Si 2 O 8 ])
13 Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Nomenklatur und Klassifizierung Nomenklatur: Dreibuchstaben-Code LTA (Linde Typ A) FAU (Faujasit, Zeolith X, Y) MFI (Mobil Five, ZSM-5, Zeolite Socony Mobile No. 5) MOR (Mordenit)
14 Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Nomenklatur und Klassifizierung Nomenklatur: Dreibuchstaben-Code LTA (Linde Typ A) FAU (Faujasit, Zeolith X, Y) MFI (Mobil Five, ZSM-5, Zeolite Socony Mobile No. 5) MOR (Mordenit) Klassifizierung: nach Morphologie (meist = Dimensionalität des Kanalsystems) 1. eindimensionale Kanäle Faser-Zeolithe 2. zweidimensionale Kanalsysteme lamellare Zeolithe (Blätter-Zeolithe) 3. dreidimensionale Kanalsysteme Würfelzeolithe, Pentasil Natrolith: ein Faser-Zeolith Heulandit: ein lamellarer Zeolith Chabazit, ein Würfel-Z.
15 O 2 H H O 2 2 1,3,5-Trimethylbenzol o-xylol Benzol Isobutan n-butan N 2 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Kanalsysteme in Zeolithen CCl 4 CO 2 NH 3 Einteilung nach Ringgröße der Fenster bzw. Porenabmessung K-LTA ('3A') Na-LTA ('4A') Ca-LTA ('5A') eng-porig: T-8 NAT mittel-porig: T-10 STI weit-porig: T-12 ZSM-5 (MFI) MOR Einteilung nach: Modul = Si Al OFF GME FAU, X, Y Effektive Porengröße/kinetischer molekularer Durchmesser [pm]
16 Natürliche Zeolithe Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
17 Al-Gehalt fallend Austauschkapazität steigend ZSM etc. 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Natürliche Zeolithe Übersicht 1 Gismondin 7 Chabazit 4 SiO2.aq 2 Thomsonit 8 Stilbit Skolezit 9 Heulandit eng- bis mittelporig relativ hoher Al-Gehalt, d.h. niedriger Modul (1-5) Bsp. Na/Ca-Zeolithe 4 Mesolith 5 Phillipsit 6 Laumontit Mordenit 11 Gmelinit Natrolith Ca[Al2Si2O8].aq Wasser-frei: Feldspäte 1. Faserzeolithe (1D) der Natrolith-Gruppe: Natrolith (NAT, 12), Mesolith (4), Skolezit (3); Thomsonit (THO, 2) 2. eng- bis mittelporige Ca-Zeolithe (1/2 D): Laumontit (LAU, 6), Stilbit (STI, 8), Heulandit (HEU, 9) 3. Zeolithe mit dreidimensionalen Kanälen: Phillipsit (PHI, 5) 4. Würfel zeolithe: Chabazit (7), Gmelinit (11) (hexagonal) Na2[Al2Si2O8].aq
18 Natürliche Zeolithe Faserzeolithe der Natrolith-Gruppe I: Natrolith, Mesolith und Skolezit nat-cbu Idealstruktur tetragonal, I4 1 /amd, Å Ringe: 4, 8, 9 c 3D Kanalsystem; K = 452 pm, F = 438 pm c, elliptischer T-9-Ring einzelne Minerale mit NAT-Struktur (alle mit M=1.5) (12) Natrolith (NAT): Na 2 [Al 2 Si 3 O 10 ] 2H 2 O (Fdd2) (4) Mesolith: Na 2 Ca 2 [Al 6 Si 9 O 30 ] 8H 2 O (3) Skolezit: Ca[Al 2 Si 3 O 10 ] 3H 2 O (monoklin, pyroelektrisch) Kristalle: Nadeln entlang der pseudo-tetragonalen Kanäle, fächerförmige und kugelige Aggregate
![Natürliche Zeolithe Faserzeolithe der Natrolith-Gruppe II: Thomsonit (THO) NaCa 2[Al 5Si 5O 20] 6H 2O, M=1 Idealstruktur orthorhombisch, Pmma, 14 7 6.](/docs-images/58/41299072/images/19-0.png "5 Å(keine NAT-Untergruppe!")
19 Natürliche Zeolithe Faserzeolithe der Natrolith-Gruppe II: Thomsonit (THO) NaCa 2[Al 5Si 5O 20] 6H 2O, M=1 Idealstruktur orthorhombisch, Pmma, Å(keine NAT-Untergruppe!) nat-ketten gegeneinander verschoben nur T-8-Ringe c Ringe: 4, 8 3D Kanalsystem K = 515 pm (> als bei NAT); F = 369 pm c (< als bei NAT)
![Natürliche Zeolithe Ca-Zeolithe mit 1/2 D-Kanalsystemen I: Laumontit (LAU) Ca[Al 2Si 4O 12] 4H 2O; M=1.](/docs-images/58/41299072/images/20-0.png "5 Idealstruktur monoklin, C2/m, 14.7 7.5 13.")
20 Natürliche Zeolithe Ca-Zeolithe mit 1/2 D-Kanalsystemen I: Laumontit (LAU) Ca[Al 2Si 4O 12] 4H 2O; M=1.5 Idealstruktur monoklin, C2/m, Å, β=112 o 1D Kanalsystem; Ringe: 4, 6, 10 [001] CBU: lau (2 Vierringe, über vier weitere Si-verknüpft)
![Natürliche Zeolithe Ca-Zeolithe mit 1/2 D-Kanalsystemen II: Stilbit (STI) NaCa 4[Al 9Si 27O 72] 30H 2O, M=3 (monoklin) Idealstruktur](/docs-images/58/41299072/images/21-0.png "orthorhombisch, Fmmm 2D Kanal-System (Blätterzeolith) Ringe: 4, 5, 6, 8, 10 K = 629 pm (> als bei NAT-Familie) (V frei = 13.")
21 Natürliche Zeolithe Ca-Zeolithe mit 1/2 D-Kanalsystemen II: Stilbit (STI) NaCa 4[Al 9Si 27O 72] 30H 2O, M=3 (monoklin) Idealstruktur orthorhombisch, Fmmm 2D Kanal-System (Blätterzeolith) Ringe: 4, 5, 6, 8, 10 K = 629 pm (> als bei NAT-Familie) (V frei = 13.6 %) F = 494 pm a (T-10-Fenster)
![Natürliche Zeolithe Ca-Zeolithe mit 1/2D-Kanalsystemen III: Heulandit/Klinoptilolith Ca[AlSi 3O 8] 5H 2O; M=3 (mit M>4 Klinoptilolith) sehr häufiger und praktisch wichtiger natürlicher Zeolith](/docs-images/58/41299072/images/22-0.png "Idealstruktur monoklin, C2/m, 17 17 7 Å, β=116o 2D Kanalsystem, Ringe: 4, 5, 8, 10 F = 367 pm (10-Ringe elliptisch und nicht gut zugänglich; NH 4 + aber möglich, z.b. für Düngerspeicher usw.")
22 Natürliche Zeolithe Ca-Zeolithe mit 1/2D-Kanalsystemen III: Heulandit/Klinoptilolith Ca[AlSi 3O 8] 5H 2O; M=3 (mit M>4 Klinoptilolith) sehr häufiger und praktisch wichtiger natürlicher Zeolith Idealstruktur monoklin, C2/m, Å, β=116o 2D Kanalsystem, Ringe: 4, 5, 8, 10 F = 367 pm (10-Ringe elliptisch und nicht gut zugänglich; NH 4 + aber möglich, z.b. für Düngerspeicher usw. wichtig) CBU: bre (=t-bru) Kristalle: pseudohexagonale Plättchen
23 Al-Gehalt fallend Austauschkapazität steigend ZSM etc. 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Natürliche Zeolithe Übersicht 1 Gismondin 7 Chabazit 4 SiO2.aq 2 Thomsonit 8 Stilbit Skolezit 9 Heulandit eng- bis mittelporig relativ hoher Al-Gehalt, d.h. niedriger Modul (1-5) Bsp. Na/Ca-Zeolithe 4 Mesolith 5 Phillipsit 6 Laumontit Mordenit 11 Gmelinit Natrolith Ca[Al2Si2O8].aq Wasser-frei: Feldspäte 1. Faserzeolithe (1D) der Natrolith-Gruppe: Natrolith (NAT, 12), Mesolith (4), Skolezit (3); Thomsonit (THO, 2) 2. mittelporige Ca-Zeolithe (1/2 D): Laumontit (LAU, 6), Stilbit (STI, 8), Heulandit (HEU, 9) 3. Zeolithe mit dreidimensionalen Kanälen: Phillipsit (PHI, 5) 4. Würfelzeolithe: Chabazit (7), Gmelinit (11) (hexagonal) Na2[Al2Si2O8].aq
![Natürliche Zeolithe mit 3D-Kanalsystem: Phillipsit (PHI) (K,Na) 5[Al 5Si 11O 32] 10H 2O, M=2.2 (monoklin, P2 1/m) Idealstruktur orthorhombisch, Cmcm 9.9 14.1 14.](/docs-images/58/41299072/images/24-0.png "0 Å 3D Kanalsystem, T-8 in alle Richtungen, lineare und Zick-Zack-Kanäle F = 369/311/331; K = 540 pm (V frei = 9.")
24 Natürliche Zeolithe mit 3D-Kanalsystem: Phillipsit (PHI) (K,Na) 5[Al 5Si 11O 32] 10H 2O, M=2.2 (monoklin, P2 1/m) Idealstruktur orthorhombisch, Cmcm Å 3D Kanalsystem, T-8 in alle Richtungen, lineare und Zick-Zack-Kanäle F = 369/311/331; K = 540 pm (V frei = 9.4 %) CBU: Leiter-Ketten dcc pseudo-tetragonale Vierlinge, Säulen mit einspringenden Ecken, meist Büschel (Limberg-Fotos folgen)
25 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
26 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolithe I: sod als CBU sod (auch β-käfig) als Combined Building Unit (CBU) in Würfelzeolithen
27 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith LTA (Linde Typ A) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über quadratische Prismen (d4r) kubisch, Pm 3m
28 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith LTA (Linde Typ A) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über quadratische Prismen (d4r) kubisch, Pm 3m 410 pm Fenster: 8-Ringe, F = 421 pm engporiger Zeolith
29 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith LTA (Linde Typ A) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über quadratische Prismen (d4r) kubisch, Pm 3m 410 pm Fenster: 8-Ringe, F = 421 pm engporiger Zeolith großer Hohlraum (lta-cbu) (V frei = 21.4 %)
30 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith LTA (Linde Typ A) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über quadratische Prismen (d4r) kubisch, Pm 3m 410 pm Fenster: 8-Ringe, F = 421 pm engporiger Zeolith großer Hohlraum (lta-cbu) (V frei = 21.4 %) nur synthetisch, aber wichtigster synthetischer Zeolith (ca t/a) mit M=2 als Waschmittelzusatz (X und Y: Al-ärmer Katalyse )
31 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith Faujasit (FAU) (Zeolith-X und -Y) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über hexagonale Prismen (d6r) kubisch, Fd 3m (Diamant-Anordnung der sods)
32 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith Faujasit (FAU) (Zeolith-X und -Y) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über hexagonale Prismen (d6r) kubisch, Fd 3m (Diamant-Anordnung der sods) 740 pm Ringe: 4, 8 und 12 (weitporig), F = 735 pm; V frei = 27.4 %
33 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolith Faujasit (FAU) (Zeolith-X und -Y) Verknüpfung von β-käfigen (sod) über hexagonale Prismen (d6r) kubisch, Fd 3m (Diamant-Anordnung der sods) 740 pm Ringe: 4, 8 und 12 (weitporig), F = 735 pm; V frei = 27.4 % natürlich: glasartige Überzüge in Poren, mit würfeligen Rissen synthetisch: ( t/a) meist mit M=5-6, d.h. Al-arm, da Einsatz als Katalysator
34 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfelzeolithe II: lta als CBU Verknüpfung über d4r Verknüpfung über d6r Verknüpfung über d8r = LTA ( anti ) Zeolith ZK-5 zwei identische Teilgitter Zeolith RHO zwei identische Teilgitter
35 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfel zeolithe III: d6r als SBU: Chabazit und Gmelinit CBU: cha CBU: gme Chabazit (CHA) pseudo-rhomboedrisch R 3m, a=9.4 Å, α=94o :ABC: -Stapelung von d6r Ringe: 4, 6, 8; CBU: cha (Chabasit-Käfige) K = 737 pm (grosse Käfige) F = 372 pm (!! sehr kleine Kanäle) Gmelinit (GME) P6 3 /mmc, Å :AB: -Stapelung von d6r Ringe: 4, 6, 8, 12; CBU: gme (Gmelinit-Käfige) K = 776 pm (grosse Käfige) F = 711 pm (sehr große Kanäle) V frei = 17.3 %
36 Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Würfel zeolithe III: d6r und 6r als SBU: Erionit und Offretit Erionit (ERI) hexagonal, P6 3 /mmc, Å [AA]-Stapelung von d6r, dazwischen [BC] von 6r Ringe 4, 6, 8 K = 704 pm (grosse Käfige) F = 342 pm (sehr kleine Kanäle) Offretit (OFF) Kristalle: beide sehr kleine hexagonale Säulchen (Limberg) hexagonal, P 6m2, Å [B]-Stapelung der 6r sehr grosse Kanäle entlang c in Position [C] K = 700 pm (analog ERI) F = 661 pm (große Kanäle) V frei = 15.1 %
37 O 2 H H O 2 2 1,3,5-Trimethylbenzol o-xylol Benzol Isobutan n-butan N 2 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Pentasile (inkl. Mordenit) Pentasile I: Mordenit (MOR) CCl 4 CO 2 NH 3 K-LTA ('3A') Na-LTA ('4A') Ca-LTA ('5A') 12 NAT STI ZSM-5 (MFI) MOR OFF GME FAU, X, Y Effektive Porengröße/kinetischer molekularer Durchmesser [pm] Na 8 [Al 8 Si 40 O 96 ] 24H 2 O (M=5) Idealstruktur orthorhombisch, Cmcm, Å 1D Kanalsystem; Ringe: 4, 5(!); 8 und 12, beide [001] F = 645 pm c (weitporig, 12-Ringe) CBU: mor natürlich: Ptilolith
38 O 2 H H O 2 2 1,3,5-Trimethylbenzol o-xylol Benzol Isobutan n-butan N 2 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Pentasile (inkl. Mordenit) Pentasile I: Mordenit (MOR) CCl 4 CO 2 NH 3 K-LTA ('3A') Na-LTA ('4A') Ca-LTA ('5A') 12 NAT STI ZSM-5 (MFI) MOR OFF GME FAU, X, Y Effektive Porengröße/kinetischer molekularer Durchmesser [pm] Na 8 [Al 8 Si 40 O 96 ] 24H 2 O (M=5) Idealstruktur orthorhombisch, Cmcm, Å 1D Kanalsystem; Ringe: 4, 5(!); 8 und 12, beide [001] F = 645 pm c (weitporig, 12-Ringe) CBU: mor natürlich: Ptilolith!! mittelporige mit ca. 500 pm effektiver Porengröße fehlen!!
39 Pentasile (inkl. Mordenit) Pentasile II: ZSM-5 (MFI) seit 1972 (Mobil Oil, heute Teil von ExxonMobil) wichtiger synthetischer Zeolith-Katalysator (3000 t/a)
40 Pentasile (inkl. Mordenit) Pentasile II: ZSM-5 (MFI) seit 1972 (Mobil Oil, heute Teil von ExxonMobil) wichtiger synthetischer Zeolith-Katalysator (3000 t/a) Struktur: 5-Ringe als SBUs
41 Pentasile (inkl. Mordenit) Pentasile II: ZSM-5 (MFI) seit 1972 (Mobil Oil, heute Teil von ExxonMobil) wichtiger synthetischer Zeolith-Katalysator (3000 t/a) Struktur: 5-Ringe als SBUs lineare + Zick-Zack-Kanäle, 10-Ringe, F = pm mittelporig
42 Pentasile (inkl. Mordenit) Pentasile II: ZSM-5 (MFI) seit 1972 (Mobil Oil, heute Teil von ExxonMobil) wichtiger synthetischer Zeolith-Katalysator (3000 t/a) Struktur: 5-Ringe als SBUs lineare + Zick-Zack-Kanäle, 10-Ringe, F = pm mittelporig Al-frei: Silicalit ( eine weitere kristalline SiO 2 -Modifikation)
43 Synthese und Modifizierung Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
44 Synthese und Modifizierung Synthese I Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in Natronlauge gelöst ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme z.b. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei ZSM-5-Synthese: CH 3 CH 2 CH 2 + CH 3 CH 2 CH 2 N CH2 CH2 CH3 Tetrapropyl ammonium Kation CH 2 CH 2 CH 3
45 Synthese und Modifizierung Synthese I Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in Natronlauge gelöst ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme z.b. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei ZSM-5-Synthese:
46 Synthese und Modifizierung Synthese I Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in Natronlauge gelöst ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme z.b. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei ZSM-5-Synthese:
47 Synthese und Modifizierung Synthese I Edukte: Silicate (Quarz, Silicagel) und Aluminate (Tonerde), in Natronlauge gelöst ggf. Template für bestimmte Kanalsysteme z.b. Einbau von Alkylaminen (Tetrapropylammonium-Kation) bei ZSM-5-Synthese: ggf. Entfernen der organischen Template durch Ausbrennen H-Form
48 Synthese und Modifizierung Synthese II hydrothermale Synthesen: o C (unter Druck, in Autoklaven) Labor-Autoklav technisch: Druck-Rührkessel (Batch-Betrieb)
49 Synthese und Modifizierung Modifizierung Austreiben von H 2 O (sog. Aktivierung ) bei 300 bis 450 o C Substitution der Kationen (1) Modifizierung der Kanalabmessungen z.b. Kanäle im LTA mit K + (3 Å) < Na+ (4 Å) < Ca2+ (5 Å) Substitution der Kationen (2) Einbringen katalytisch aktiver Metalle z.b. Austausch mit Pt 2+ -Salzen, dann Reduktion zu Pt 0 Herstellung der sauren, sog. H-Form durch Behandlung mit Mineralsäuren (bei Säure-stabilen Zeolithen) alternativ durch NH + 4 -Einbau und anschliessendem Ausbrennen von NH 3 direktes Produkt bei organischen Templaten nach Ausbrennen der Organik Dealumininierung ultra-stable (US)-Zeolithe für die Katalyse bessere thermische Stabilität geänderte Acidität
50 Verwendung I. Ionenaustauscher Einleitung Strukturprinzipien, Nomenklatur, Kanalsysteme Natürliche Zeolithe Würfelzeolithe (inkl. Chabazit etc.) Pentasile (inkl. Mordenit) Synthese und Modifizierung Verwendung I. Ionenaustauscher II. Adsorptions/Trockenmittel III. (Molekular-)Siebe IV. saure Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Zusammenfassung Literatur
51 Verwendung I. Ionenaustauscher Verwendung I: Zeolithe als Ionenaustauscher Prinzip: Austausch von Na + -Ionen gegen andere Kationen Austauschkapazität steigt mit Al-Gehalt (kleiner Modul günstig) ggf. Regeneration durch Behandeln mit Kochsalz-Lösung
52 Verwendung I. Ionenaustauscher Verwendung I: Zeolithe als Ionenaustauscher Prinzip: Austausch von Na + -Ionen gegen andere Kationen Austauschkapazität steigt mit Al-Gehalt (kleiner Modul günstig) ggf. Regeneration durch Behandeln mit Kochsalz-Lösung Beispiele: Zeolith A in Wasch- und Reinigungsmitteln (LTA, Permutite, Sasil) M=2 Austausch von Na + gegen Ca 2+ und/oder Mg 2+ (Wasserenthärtung) Ersatz umweltschädlicher Phosphate
53 Verwendung I. Ionenaustauscher Verwendung I: Zeolithe als Ionenaustauscher Prinzip: Austausch von Na + -Ionen gegen andere Kationen Austauschkapazität steigt mit Al-Gehalt (kleiner Modul günstig) ggf. Regeneration durch Behandeln mit Kochsalz-Lösung Beispiele: Zeolith A in Wasch- und Reinigungsmitteln (LTA, Permutite, Sasil) M=2 Austausch von Na + gegen Ca 2+ und/oder Mg 2+ (Wasserenthärtung) Ersatz umweltschädlicher Phosphate Reinigung radioaktiver Abwässer Immobilisierung radioaktiver Ionen z.b Cs+ oder Sr2+
54 Verwendung II. Adsorptions/Trockenmittel Verwendung II: Zeolithe als Adsorptionsmittel/Trockenmittel entwässerte Zeolithe: Adsorption kleiner Moleküle (H 2 O, CO 2 ) auch bei niedrigen Partialdrucken Beispiele: Trocknung bzw. Entfernung von CO 2 und Schwefel-Verbindungen aus Erdgas/Synthesegas Trocknung von Lösungsmitteln (LTA-Molsiebe 3 Å, 4 Å, 5 Å) Trockenmittel in Doppelfenstern Zusatz in Zement, Asphalt oder Porzellan (zur Steuerung des Aushärte-Verhaltens) (Natrolith, LTA) Füllmittel für Papier- und Kunststoff Verbesserung der Rieselfähigkeit div. Produkte Abtrennung unerwünschter Gasbestandteile (Landwirtschaft, Großküchen) kosmetische und pharmazeutische Formulierungen Wärmespeicher...
55 N 2 O 2 1,3,5-Trimethylbenzol o-xylol Benzol Isobutan n-butan 4. Zeolithe (Technische Tectosilicate) Verwendung III. (Molekular-)Siebe Verwendung III: Zeolithe als (Molekular-)Siebe Trennung von Molekülen nach Größe/Gestalt CO 2 H H O 2 2 NH 3 CCl 4 Trennung unverzweigter von verzweigten Alkanen oder Aromaten (Ca-LTA), praktisch unabhängig von der Kettenlänge K-LTA ('3A') Na-LTA ('4A') pm passend zu sperrig Ca-LTA ('5A') NAT pm 530 pm 500 pm STI ZSM-5 (MFI) MOR OFF GME FAU, X, Y Effektive Porengröße/kinetischer molekularer Durchmesser [pm] Sauerstoffanreicherung in Luft Luftzerlegung (N 2 -Adsorption an Ca-LTA) (PSA) Trennungen CO/H 2, NH 3 /Luft, NH 3 /CH 4, Acetylen/Butadien, etc.
56 Verwendung IV. saure Katalysatoren Verwendung IV: Zeolithe als saure Katalysatoren H-Formen als Lewis- bzw. Brönsted-Säuren: H Zeolith H _ + O O Si Al Si O O O O O O Brönsted S. + H _ O O Si Al Si O O O O O O Lewis S. H O O Si Al Si O O O O O O
57 Verwendung IV. saure Katalysatoren IV: saure Katalysatoren Verwendung für Isomerisierungen Cracken Hydrocrackung Alkylierung von Aromaten Dehydatisierung... Vorteile gegenüber Mineralsäuren (z.b. Schwefelsäure) einfache Abtrennung (heterogene Katalysatoren) Regeneration möglich keine Korrosionsprobleme Formselektivität: Reaktanden S. Produkt S.
58 Verwendung IV. saure Katalysatoren IV: saure Katalysatoren Beispiele: Friedl-Crafts-Acylierung und -Alkylierung (H-ZSM-5) H ZSM5 400 C meta ortho + Toluol Ethen para Katalytisches Cracken (FCC) (Ultra Stable Y: USY) Dewaxing (Entfernung/Abbau langkettiger Paraffine aus Erdölfraktionen; ZSM-5)
59 Verwendung V. Redox-Katalysatoren V. Redox-Katalysatoren Übergangsmetallkatalyse Eintausch von Pd/Pt 2+ -Salzen, anschliessend Reduktion Pd/Pt-Partikel aus 5-10 Pt-Atomen in den Käfigen sehr große Oberflächen extrem aktive Redox-Kats z.b: Isomerisierung von Alkanen (Pt-Mordenit: Pt-MOR)
60 Zusammenfassung Zusammenfassung Zeo-lithe = Siedende Steine Gerüst-Alumosilicate allgemeine Formel: A n+ x/n [(AlO2)x(SiO2)1 x] y H2O natürlich und synthetisch Strukturen: Gerüststrukturen mit Kanalsystemen; für Gäste zugänglich Synthese: gezielte Steuerung der Porenabmessungen durch Template Verwendung: Ionenaustauscher Trockenmittel, Molsiebe Heterogen-Katalysatoren
61 Literatur Literatur M. Okrusch, S. Matthes, Mineralogie, Springer (2004). extralapis Nr. 33: Zeolithe: Mineralien - zugleich nützlich und wunderschön, Weise-Verlag München (2007). F. Liebau: Structural Chemistry of Silicates, Springer (1985). L. Puppe, Chemie in unserer Zeit 4, 117 (1986). Ullmann: Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Weinheim (Online über DBIS) Web-Seite zur Vorlesung Silicatchemie : ruby.chemie.uni-freiburg.de/vorlesung/silicate 0.html Datenbank der Zeolith-Strukturen:
62 ENDE DANKE!
Siedende Steine Siedesteine
. Siedende Steine Siedesteine Siedende Steine Siedesteine Siedesteine: z.b. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2 Si 2 8 ] Siedende Steine Siedesteine Siedesteine: z.b. Ca-Feldspat (Anorthit) Ca[Al 2 Si 2 8 ]
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